CC BY
18УДК 659.62
В.А Лобанов, профессор, доцент, д.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ», 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ТОРМОЗНЫЕ КАЧЕСТВА КОМПЛЕКСА «ГРЕБНОЙ ВИНТ-РУЛЬ» ВО ЛЬДАХ
Ключевые слова: судно, движительно-рулевой комплекс, комплекс винт-руль, тормозная сила, ледовые качества, ледовые условия, CAE-системы, конечно-элементное моделирование.
В работе с применением CAE-технологий исследован реверсивный режим работы движительно-рулевого комплекса «гребной винт — руль» в условиях чистой воды, в мелкобитых и тёртых льдах различной толщины и сплочённости. Проведены количественные оценки чистого гидродинамического сопротивления и ледовых нагрузок на комплексе. Получены кривые тормозной силы комплекса в исследованных ледовых условиях. Выявлены качественные особенности характера и соотношения тормозной силы комплекса во льдах и в условиях чистой воды.
Введение
В настоящее время национальные интересы целого ряда государств сталкиваются при освоении северных приполярных районов Земли. Интенсификацию этого освоения в значительной мере провоцируют последствия климатических изменений прошедших десятилетий, приведшие к ощутимому уменьшению полярных «ледовых шапок». Последнее, в свою очередь, обеспечило более благоприятные условия судоходства в этих широтах, придав ему регулярный международный характер. Существенные запасы углеводородного сырья на арктическом шельфе при спорной однозначности их государственной принадлежности требуют компромиссных международных соглашений по разработке и транспортному обслуживанию этих территорий. Одним из таких документов стал «Международный кодекс для судов, эксплуатирующихся в полярных водах» (Полярный кодекс), принятый под эгидой Международной морской организацией (IMO) в мае 2015 года [1]. Полярный кодекс призван узаконить общие нормы проектирования, постройки, эксплуатации, подготовки ледовых экипажей, обеспечения безопасности плавания судов, охраны человеческой жизни и предотвращения загрязнения в полярных водах, покрытых льдами.
Нормирование ледовых качеств - одно из требований Полярного кодекса к флоту, эксплуатируемому в ледовых условиях. Маневренность обоснованно является важным качеством судна ледового плавания. При этом необходимо отметить, что этот параметр далеко не в полной мере определяется уровнем взаимодействия с водоледя-ной средой только корпуса судна. Не менее значимым фактором следует признать пропульсивный потенциал движительно-рулевого комплекса (ДРК) теплохода в ледовых условиях. В различных публикациях по ледовой ходкости и управляемости судов [2-9] авторами оговаривается, что пропульсивные качества ДРК, безусловно, ухудшаются, но вряд ли сейчас можно утверждать о наличии надёжных и универсальных аналитических (полуэмпирических) методов оценки тяговых и тормозных характеристик движителей в водоледяной среде. Априорно принятая гипотеза о независимости составляющих полного ледового воздействия на элементы ДРК при невозможности разделения гидродинамических и ледовых нагрузок в натурном или модельном эксперименте ограничивает репрезентативность получаемых данных и сдерживает разработку адекватных методов расчёта названных характеристик ДРК.
Одним из способов решения данной проблемы можно рекомендовать реализацию виртуальных экспериментов с применением современных CAE-технологий [10]. Ав-
торский опыт, вынесенный на суд специалистов-ледотехников, показал не только достоверность САЕ-анализа работы ДРК во льдах [11-13], но и выявил ряд фактов, имеющих характер научной новизны при описании исследуемого процесса.
Ниже это дополнено и продемонстрировано результатами очередной серии САЕ-испытаний классически расположенного комплекса «гребной винт-руль» при его работе в реверсивных режимах в ледовых условиях.
Моделирование
Последующий анализ был связан с обработкой результатов многовариантного симулирования движения исследуемого ДРК в различных динамических и ледовых условиях. Пример исходной модели приведён на рис. 1. Основные размеры и расчётные параметры комплекса обозначены на рис. 2 и объяснены в табл. 1.
Рис. 1. Модель движения ДРК «винт-руль» в тёртых льдах (1 - вода; 2 - льды; 3 - винт; 4 - руль)
Рис. 2. Размеры ДРК
Круг научно-технических проблем, решаемых автором, связан с оценками ледовых качеств судов внутреннего и смешанного река-море плавания. Подавляющая часть этого флота имеет ледовые ограничения отечественных классификационных обществ, разрешающие эксплуатацию судов лишь в мелкобитых и тёртых льдах толщиной не более 0,5 м. Поэтому в данной работе автор ограничил набор численных экспериментов варьированием ледовых условий в границах этих сред.
Тип моделируемого ДРК признан практикой ледовой эксплуатации флота наиболее приспособленным и эффективным для исследуемых сред. Его конструктивной особенностью в настоящей работе является использование движителя с «саблевидной» формой лопастей (рис. 2).
Таблица 1
Расчётные характеристики комплекса «винт-руль»
Параметр Обозначение Единица измерения Величина
Длина руля - мм 2300
Высота передней кромки руля Нн мм 2300
Высота задней кромки руля Н мм 2870
Расстояние между передней кромкой Ьа мм 627
руля и осью баллера
Максимальная толщина руля Тг мм 460
Диаметр винта о, мм 1970
Номинальный крутящий момент на кН-м 35,0
валу
Номинальная частота вращения винта рад/с 27,0
"Расчётный шаг винта мм 2110
**Угол наклона образующей лопасти градус 7
"Количество лопастей 4
"Суммарная площадь лопастей м2 1,734
**Дисковое отношение 0,552
Примечания.
1. Прототипом модельного ДРК явился комплекс «винт-руль» танкера типа «Нижний Новгород» проекта 19614 [14].
2. ** - контрольные параметры.
В расчётных вариантах изменялась скорость движения ДРК (0-5 м/с), толщина льдов (0,2-0,6 м), их сплочённость в районе комплекса (3-8 баллов). Модели и характеристики материалов, типы и формулировки конечных элементов, алгоритмы контактного взаимодействия тел описаны в работе [11].
Чистая вода
Оценка возможных изменений тормозной силы ДРК «винт-руль» в исследованных льдах потребовала предварительного моделирования его движения в чистой воде с целью определения кривой этой силы как функции скорости движения комплекса. Уже первые варианты численного моделирования обнаружили гидродинамическую «неустойчивость» движителя в реверсивных режимах. При постоянном крутящем моменте на валу (табл. 1), начиная со скоростей малого хода, винт временно или устойчиво уходил «в разнос» (рис. 3, кривые С, D, E).
Последнее потребовало отработки закона регулирования крутящего момента, который обеспечил следующее: максимальная частота вращения винта не должна превышать 10 % от номинального значения (табл. 1); при падении частоты вращения ниже номинальной величины должен быть увеличен крутящий момент на валу, но не более, чем на 10% от номинала (табл. 1). Для выбранного закона регулирования в качестве примера на рис. 4 приведён ряд осциллограмм тормозной силы комплекса для
нескольких фиксированных скоростей хода. Частота вращения гребного винта при этом стабилизировалась в пределах 26,5-28,0 рад/с (рис. 5).
Propeller angular Velocity (constant Moment)
-—- » д ■ —
I" е 1 1
Рис. 3. Поведение частоты вращения винта при постоянном крутящем моменте
complex Drake Force In clear water [regulation Moment)
Рис. 4. Временные зависимости тормозной силы ДРК в чистой воде при установленном законе регулирования крутящего момента (кривые А-С - результаты численного моделирования; кривые D-F - сглаженные значения)
Рис. 5. Поведение частоты вращения винта при установленном законе регулирования крутящего момента
Конечно-элементное моделирование показало, что в общем балансе тормозной силы ДРК вряд ли стоит пренебрегать влиянием руля. В качестве примера это можно подтвердить данными рис. 6, на котором приведены продольные составляющие гидродинамических нагрузок на комплексе при его движении в условиях чистой воды со скоростью 3,0 м/с.
Propeller and RncKler *-Force (V3.0]
1
ih ll1 A. Jil A f. Л А
A Propeller FEW data _fi_Rudder FEM dale С Propeller smooth curve D Rudder smooth curve
Рис. 6. Временные зависимости продольных гидродинамических нагрузок на винте и руле в чистой воде при скорости движения комплекса 3,0 м/с (кривые А, В - результаты численного моделирования; кривые С, D - сглаженные значения)
Сглаженные значения этих сил на руле составляют 15-25% от тормозного упора движителя (рис. 6, кривые Б и С соответственно). При этом тормозящее воздействие винта частично теряется из-за попутного потока воды, «подгоняющего» руль.
Искомая зависимость тормозной силы комплекса как функции скорости его движения в чистой воде (Рис. 7) получена по результатам обработки осциллограмм (Рис. 4). При этом сглаживание экспериментальных данных полиномом третьей степени с коэффициентом корреляции свыше 0,93 демонстрирует удовлетворительную статистическую связь тормозной силы со скоростью движения ДРК в чистой воде.
complex brake Force In clear water versus velocity
: .......
\ t /
ч
/
Velocity, mfs
Рис. 7. Кривая тормозной силы комплекса в чистой воде
Качественное поведение кривой с явно выраженным минимумов в интервале «малый ход - средний ход» (рис. 7) подтверждает вывод исследователей гидродинамических параметров гребных винтов о том, что в общем случае упор движителя этого типа в режиме реверса не является постоянной величиной [15-17]. Однако в извест-
ных литературных источниках автору не удалось обнаружить экспериментальных данных (или результатов их обработки) с оценками реверсивных характеристик комплексов, подобных испытуемому в настоящей работе. Поэтому на данном этапе ввиду ограниченности количества численных экспериментов справедливым будет признать приближённый (дискуссионный) характер полученной зависимости (рис. 7).
Ледовые условия
Анализ результатов виртуальных экспериментов движения комплекса в мелкобитых и тёртых льдах при реверсивной работе винта продемонстрировал, что скоростной режим ДРК определяет характер и величину ледовых нагрузок на нём. При низких скоростях хода (не выше малого) движитель успевает «размыть» даже толстую сплочённую ледяную среду вперед идущей струёй, минимизируя вероятность непосредственного ледового контакта. Для более высоких скоростей движения уровень ледового взаимодействия комплекса значительно возрастает. Качественно и количественно это проиллюстрировано на рис. 8 и 9 соответственно примерами движения ДРК в сплочённых тёртых льдах толщиной 0,5 м.
б
Рис. 8. Качественный характер взаимодействия ДРК со сплочёнными тёртыми льдами (а - толщина льда 0,5 м, скорость хода 1,0 м/с; б - толщина льда 0,5 м, скорость хода 4,0 м/с)
compare Ice Force on complex (ho.51
Рис. 9. Временной характер ледовых нагрузок на комплексе в сплочённых тёртых льдах
Так, например, данные рис. 9 показывают, что в тёртых льдах толщиной 0,5 м и начальной сплочённостью в районе комплекса около 7-8 баллов увеличение скорости хода с 1,0 м/с до 4,0 м/с обеспечивает более чем на порядок прирост ледовых нагрузок (сглаженные кривые С и Б). Особо примечателен тот факт, что средние уровни этих нагрузок с ростом скорости движения меняют знак, то есть на низких скоростях движения ледяная среда может оказывать «подгоняющее» воздействие на ДРК.
Доля составляющих полного ледового сопротивления комплекса (гидродинамических и чисто ледовых) зависит от толщины, сплочённости, раздробленности преодолеваемых льдов и скорости внедрения ДРК в среду. Это убедительно иллюстрируют графики, приведённые на рис. 10.
Так тонкие льды (не толще 0,2 м) начальной сплочённостью в районе комплекса менее 8 баллов практически не сказываются на уровне полного ледового сопротивления ДРК, преобладающую часть в которое вносит гидродинамическая составляющая (рис. 10, а).
С ростом размеров и сплочённости ледяных образований и скорости движения ДРК существенно возрастает значимость чисто ледовых нагрузок в балансе полного ледового сопротивления комплекса. При этом необходимо указать на увеличение степени временной нестабильности последнего параметра (рис. 10, б). Объяснить это можно как случайностью чисто ледового взаимодействия, так и тем, что в такой среде при установленном законе регулирования крутящего момента на гребном валу двигателю явно не хватает мощности для поддержания частоты вращения винта в пределах номинального режима (рис. 11). Последнее приводит к потерям гидродинамического реверсивного упора по сравнению с условиями чистой воды. Кроме того, наличие льдов провоцирует изменения в характере обтекания комплекса жидкостью, что дополнительно снижает его тормозной потенциал [11-13].
В водоледяной среде полное ледовое сопротивление ДРК принято эквивалентом его результирующей тормозной силы. В качестве расчётной точки для каждого варианта ледовых и динамических условий в последующей статистической обработке использовалась средняя величина тормозной силы комплекса (в примере, приведённом на рис. 10 - это уровень прямой Б). По результатам анализа была получена серия сглаженных зависимостей тормозной силы комплекса от скорости его движения и ледовых условий.
Пример подобных кривых для тёртых льдов толщиной 0,2 м и 0,5 м при их различной начальной сплочённости в районе ДРК приведён на рис. 12.
б
Рис. 10. Сравнение составляющих полного ледового сопротивления ДРК в различных условиях (а - толщина льда 0,2 м, сплочённость льда 7-8 баллов, скорость хода 1,0 м/с; б - толщина льда 0,5 м, сплочённость льда 7-8 баллов, скорость хода 5,0 м/с)
Ргоремг агд.п.ц уе|ос|1у ((105 вот У4)
/V Л'
/ / V \ ЛЛ / V/' V \ / \
/ ■л
/ \
16- 1
Рис. 11. Временной характер частоты вращения движителя в тёртых льдах (толщина льда 0,5 м, сплочённость льда 7-8 баллов, скорость хода 4,0 м/с)
Рис. 12. Кривые тормозной силы ДРК в тёртых льдах (а - сплочённость льдов 7-8 баллов; б - сплочённость льдов 3-4 балла)
Анализ результатов численных экспериментов выявил следующее:
1. В исследованных ледовых условиях характер скоростной зависимости тормозной силы ДРК «гребной винт-руль» с явно выраженным минимумом сохраняется аналогичным условиям чистой воды (рис. 12, сравнение поведения кривых В и С с кривой А).
2. В диапазоне скоростей движения «швартовный режим - малый ход» ледяная среда оказывает «попутное» воздействие на комплекс, частично снижая гидродинамическую составляющую его тормозной силы (рис. 12, сравнение кривых В и С с кривой А в интервале = 0,0-2,0 м/с).
3. Существенный (15-100%) прирост тормозной силы за счёт чисто ледового сопротивления ДРК наблюдается на скоростях его внедрения в ледяную среду выше уровня «малого хода» (рис. 12, сравнение кривых В и С с кривой А в интервале = 3,05,0 м/с).
4. В интервале скоростей движения более «малого хода» тормозная сила ощутимо зависит от размеров и сплочённости льдов в районе комплекса (рис. 12, а, 1,5-кратное превышение уровня кривой С по отношению к уровню кривой В в диапазоне = 2,55,0 м/с; 1,5-кратное превышение уровня кривой С рис. 12, а по отношению к уровню кривой С рис. 12, б в диапазоне = 3,0-5,0 м/с).
Следует особо отметить, что сплочённость льдов как значимый фактор результирующей тормозной силы ДРК определяется не только естественным состоянием во-доледяной среды. Эта характеристика льдов для района расположения комплекса за-
висит от формы обводов корпуса судна, его осадки и посадки. Поэтому применение зависимостей, аналогичных показанным на рис. 12, требует параллельного изучения (моделирования) характера обтекания конкретного судна ледяной средой.
Список литературы:
[1] Международный кодекс для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярный Кодекс). Серия «Судовладельцам и капитанам», Выпуск 37. - СПб.: АО «ЦНИИМФ», 2016. -232 с.
[2] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов; 2 изд., исправл. - СПб.: Судостроение, 2014. - 504 с.
[3] Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968. - 238 с.
[4] Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. - Л.: Судостроение, 1980. - 208 с.
[5] Сазонов К.Е. Управляемость судов во льдах: методы определения ледовых сил, действующих на движущийся по криволинейной траектории корпус, и зависимости показателей поворотливости судов от характеристик корпуса и внешних условий : диссертация ... доктора тех-нич. наук; Специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика / Гос. науч. центр РФ. - Санкт-Петербург, 2004. - 285 с.
[6] Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях : диссертация ... доктора технич. наук; специальность 05.22.16 - Судовождение. - Горький, 1990. - 414 с.
[7] Konno A., Nakane A., Kanamori S. Validation of Numerical Estimation of Brash Ice Channel Resistance with Model Test. 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC'13). 2013. http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC13_143.pdf
[8] Lau M. Discrete element modeling of ship maneuvering in ice. Proceedings of the 18th IAHR International Symposium on Ice. 2006. - pp. 25-32. http://web2.clarkson.edu/projects/iahrice/IAHR0/o 202006/ contents/45_s98.pdf
[9] Molyneux D., Spencer D., Liu L., Zhan D. Simulation of Ship Performance in Ice Using a Discrete Element Method. Ice Class Ships Conference (The Royal Institution of Naval Architects). 2012.
[10] Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
[11] Лобанов В.А. Оценки ледовых качеств судов с применением CAE-систем: монография / В.А. Лобанов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - 296 с.
[12] Лобанов В.А. Пропульсивные качества комплекса винт-насадка во льдах // Интернет-журнал «Науковедение» Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/36TVN115.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана.
[13] Лобанов В.А. Пропульсивные качества винторулевой колонки во льдах // Вестник «ВГАВТ». Вып. 46. - Н.Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016. - С. 171-182.
[14] Разработать ледовые паспорта танкеров проекта 19614. Выходной документ научно-исследовательской работы по теме №»34/09/1101. Научный рук. - Клементьев А.Н. -Н.Новгород: ВГАВТ, 2012. - 45 с.
[15] Басин А.М. Теория и расчёт гребных винтов. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 760 с.
[16] Басин А.М. Гидродинамика судна. Сопротивление воды, движители, управляемость и качка: учеб. пособие. - Л.: Речной транспорт, 1961. - 684 с.
[17] Ходкость и управляемость судов: учебник / утв. Управл. кадров и учеб. заведений МРФ РСФСР для студ. ин-тов водн. тр-та; под ред. В.Г. Павленко. - М.: Транспорт, 1991. - 455 с.
BRAKING CHARACTERISTICS OF THE PROPULSION COMPLEX «PROPELLER-WHEEL» WHEN IN ICE
V.A. Lobanov
Key words: ship, propulsion system, propulsion complex «propeller-rudder», propulsion and steering complex, braking force, ice quality, ice conditions, CAE-systems, finite-element modeling.
With the application of the CAE-systems the reversing mode of the propulsion complex «pro-peller-rudder» has been researched in conditions of pure-water, ice cakes, and small ice cake of various depths and concentrations. Quantitative assessments of pure hydrodynamic resistance and ice loads have been conducted. The curves of the braking force have been obtained in the given ice conditions. Quality features of the character and ratio of the braking force of the complex in ice and in pure-water conditions have been educed.
Статья поступила в редакцию 22.09.2016 г.
УДК 656.6.
Р. А. Пузанков, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
А.Н. Клементьев, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ВИНТОРУЛЕВЫЕ КОЛОНКИ КАК СРЕДСТВО УЛУЧШЕНИЯ ПОВОРОТЛИВОСТИ СУДОВ
Ключевые слова: винторулевая колонка, ВРК, центр бокового сопротивления, Shottel, влияние корпуса.
В статье приведен краткий анализ определения усилий создаваемых, винторулевыми колонками — ВРК. Отмечено, что проведенные ранее исследования по определению эффективности работы ВРК не в полной мере учитывают влияние обводов корпуса судов на их работу, а так же взаимодействие ВРК друг на друга, что вызывает необходимость дальнейшего исследования и разработки методики расчета действия сил, для выбора эффективного маневра.
В последние годы наблюдается обновление танкерного и сухогрузного флота река-море плавания (рис 1.). Так в 2011-2013 годах транспортная группа ULCHolding в рамках программы обновления флота построила 57 современных наливных и сухогрузных судна [1].
Рис. 1. Динамика обновления флота
